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第一章 功率二极管、晶阐管及单相相控整流电路,第一节 功率二极管,PN结概念：载流子 N型半导体 P型半导体 PN结 正向导通 反向阻断,基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。以半导体PN结为基础。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。,图功率二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构 b）外形 c）电气图形,功率二极管,功率二极管（1）功率二极管的伏安特性 当外加正向电压大于UTO（门槛电压）即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到UB（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流IRR剧增，导致二极管击穿损坏。,（2）功率二极管主要参数额定正向平均电流IF（额定电流）有效值为1.5IF反向重复峰值电压URRM（额定电压）URRM=2/3UB门槛电压UTO击穿电压UB正向平均电压UF反向漏电流IRR,（1）关断特性：功率二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,一、定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。,图1.2.3 功率二极管开关过程中电压、电流波形,（3）功率二极管的开关特性,功率二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。,功率二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。,图功率二极管开关过程中电压、电流波形,（2）开通特性：,延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数（亦称柔度系数），反映特性的软硬度，用sr表示。,（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在s以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在s以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平,多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。,功率二极管的主要类型：,第二节 晶闸管,晶闸管就是硅晶体闸流管，简称SCR。目前晶闸管的容量水平已达到8KV/6KA.一、晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的外形与符号：,晶闸管的结构和等效电路：晶闸管的管芯由四层半导体（P1N1P2N2）组成，形成三个PN结（J1J2J3）。特性：单向导电特性 正向阻断特性 可控特性关断条件：IaIH,晶闸管的工作原理：当管子阳极加上正向电压后，要使管子正向导通的关键是使J2结反向失去阻挡作用，当Q打开时，V1管的集电极电流Ic1即为V2管的基极电流Ib2；V2管集电极电流Ic2又是V1的基极电流Ib1，当Q合上时有足够的门极电流IG流入，通过两管的电流放大作用，立即形成强烈的正反馈，瞬时使两管饱和导通。也就是晶闸管导通。,二、晶闸的伏安特性与主要参数 晶闸管的伏安特性曲线（1）晶闸管导通需具备两个条件：1.应在晶闸管的阳极与阴极 之间加上正向电压。2.应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。（2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。（3）为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。,二、晶闸管的特性与主要参数,定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。,UDRM、URRM正、反向断 态重复峰值电压；UDSM、URSM正、反向断态 不重复峰值电压；UBO正向转折电压；URO反向击穿电压。,.晶闸管的伏安特性：,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,（1）晶闸管的反向特性：,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,（2）晶闸管的正向特性：,2.晶闸管的开关特性,晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。,延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr 普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。,(1)开通过程：,正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr,(2)关断过程,普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间,（3）晶闸管的开通与关断时间,1）开通时间tgt：普通晶闸管的开通时间tgt 约为6s。开通时间与触发脉冲的陡度与电压大小、结温以及主回路中的电感量等有关。2）关断时间tq：普通晶闸管的tq 约为几十到几百微秒。关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。,晶闸管的主要参数(1)额定电压UTn 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(23)倍的安全裕量。UTn(23)UTM(2)额定电流IT(AV)在环境温度为+40和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角 170)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示:,通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：Kf:波形系数 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。,(3)门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。(4)门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。(5)通态平均电压UT(AV)在规定环境温度和标准散热条件下，管子流过额定正弦半波电流时，阳、阴极之间的平均电压。也简称管压降。管压降越小，管子功耗也就越小。(6)维持电流IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。(7)擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一晶闸管来说，擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。,例 1-1,两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大Im=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值 IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2,三、国产晶闸管的型号,KP10012G表示额定电流为100A，额定电压为1200V。,第三节 单相相控整流电路,一、单相半波相控整流电路（一）电阻性负载1.工作原理 在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。首先假设以下几点：(1)开关元件是理想的，即开关元件(晶闸管)导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；(2)变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。,单相半波相控整流电路和工作波形图(电阻性负载),变压器T起变换电压和隔离的作用，在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在t=处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。,在电源电压负半波，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。通过改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。,(1)触发角与导通角触发角：也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受正向 电压开始到导通时止之间的电角度。导通角：是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。(2)移相与移相范围移相：是指改变触发脉冲Ug出现的时刻，即改变控制角的大 小。移相范围：是指触发脉冲Ug的移动范围，它决定了输出电压的变 化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范 围是0180。,2.基本数量关系（1）直流输出电压平均值Ud（2）直流输出电流平均值Id（3）直流输出电压有效值U（4）直流输出电流有效值I,(5)晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：(6)功率因数 功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值。(7)晶闸管承受的最大正反向电压Um 晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。,例1-2,已知单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为20A。试计算：(1)晶闸管的控制角。(2)输出电流有效值。(3)电路功率因数。(4)晶闸管的额定电压和额定电流。,（二）电感性负载1.工作原理 电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。,单相半波相控整流电路和工作波形图(电感性负载),2.数量关系直流输出电压平均值Ud：从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,（二）电感性负载加续流二极管单相半波相控整流电路和工作波形图(电感性负载加续流二极管),1.工作原理 电源电压正半波u20，晶闸管电压uAK0。在t=处触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流，续流二极管VDR承受反向电压而处于断态。电源电压负半波u20，通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为0180，且有+=180。,小 结,单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。,二、单相全控桥式相控整流电路（一）谐波分析：1。谐波的危害(1)谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输 电及用电效率，大量的3次谐波流过中线会使线路过热甚至发生火灾。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏。(3)谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述(1)和(2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。,2.谐波的概念 当正弦波电压施加在线性无源器件电阻、电感和电容上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，但仍为同频的正弦波。但如果正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦波电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。,3.整流输出电压和电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：(1)m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk(k=1，2，3.)次，即 m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为 mk次。(2)当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最 低次(m次)谐波是最主要的，其他次数的谐波相对较少。当 负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速。(3)m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹 波因数迅速下降。,（二）单相桥式全控整流电路电阻负载1.整流电路和工作波形图,单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0180。=0时，输出电压最高；=180时，输出电压最小。晶闸管承受最大反向电压Um是相电压峰值，晶闸管承受最大正向电压Um是=90时。负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，从而改善了变压器的工作状态并提高了变压器的有效利用率。,（三）单相桥式全控整流电路电感性负载,1.整流电路和工作波形图(无续流二极管)从波形可以看出=90输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是090。控制角在090之间变化时，晶闸管导通角，导通角与控制角无关。晶闸管承受的最大正、反向电压,2.整流电路和工作波形图(有续流二极管),（四）单相桥式全控整流电路反电动势负载,图2.2.9 单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图,3反电势负载工作原理,反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电压的负载。,3反电势负载参数计算,(2.2.33),(2.2.32),1）整流器输出端直流电压平均值,2）整流电流平均值,1大电感负载时的工作情况,单相桥式半控整流电路,图2.2.10 单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图,晶闸管在触发时刻被迫换流，二极管则在电源电压过零时自然换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形没有负半波的部分，与全控桥电路带电阻性负载相同。的移相范围为0180，Ud、d的计算公式和全控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180的方波且与无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。,工作特点：,图2.2.10 单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图,在实际运行中，当突然把控制角 增大到180以上或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通两个二极管轮导通的失控现象。此时触发信号对输出电压失去了控制作用，失控在使用中是不允许的，为了消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需加接续流二极管。,续流二极管的作用：,消除失控,2大电感负载时参数计算,输出电压平均值为,输出电压有效值为,在控制角为时，每个晶闸管一周期内的导通角为，续流管的流通角为，,2大电感负载时参数计算,流经续流二极管的平均电流和有效电流分别为,则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为,